《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Metabolomic responses of free-living diazotrophs inoculated on biochar
编辑推荐：
生物炭接种固氮菌可改变其表面性质和微生物代谢，秸秆生物炭因高孔隙率和含氧官能团更促进氮固定。实验显示接种后生物炭溶解有机碳（DOC）减少18.78%-29.92%，溶解性有机氮（DON）增加55.26%-271.78%，证实微生物消耗碳并固定氮。秸秆生物炭H/C比提升13.97%-51.16%，含氧官能团（C-O-C、C=O）及氮、溶解有机物含量显著高于其他来源生物炭，更有利于微生物代谢。代谢组学分析表明，不同生物炭显著改变固氮菌代谢物组成：秸秆和牛粪生物炭增加脂质和含氮代谢物，秸秆生物炭减少芳香族化合物。研究揭示生物炭与微生物互作机制，为优化氮肥替代提供理论依据。
Xinyue Li|Yi Wang|Mohammad Bahram|Yiming Xian|Rong Huang|Leho Tedersoo|Changquan Wang|Bing Li
四川农业大学资源学院，中国成都611130
摘要
人们已经认识到，添加了固氮细菌的生物炭在提高生物固氮（BNF）效率方面的潜在作用，但不同原料制成的生物炭与接种菌株之间的相互作用仍大部分未被探索。为了研究生物炭对固氮细菌关键代谢物和生物固氮效率的影响，我们进行了为期91天的实验，使用来自牛粪、玉米秸秆和木屑的生物炭接种了固氮菌（Klebsiella sp.）。实验发现，固氮菌通过微生物代谢和分泌物改变了生物炭的表面性质。与灭菌后的生物炭相比，接种后的生物炭中DOC含量减少了18.78%–29.92%，而DON含量增加了55.26%–271.78%，这表明微生物直接消耗了碳并保留了新固定的氮。接种固氮菌后，秸秆生物炭的H/C比率分别增加了13.97%–51.16%和21.70%–80.92%。此外，秸秆生物炭在培养期间含有更多的含氧功能基团（C-O-C, C=O），并且氮和溶解有机物的含量也更高，使其更易于被微生物利用。不同原料制成的生物炭显著改变了微生物的代谢物谱型。具体来说，秸秆和牛粪生物炭增加了脂质和类脂质分子的含量，而秸秆生物炭减少了芳香化合物的含量。在35天内，秸秆和牛粪生物炭上调了含氮代谢物的表达，并提供了足够的氮。研究表明，秸秆生物炭可能增加碳的可用性，创造一个调节微生物代谢和碳氮平衡的微环境，从而促进固氮菌的表现。
引言
生物炭是一种通过在缺氧条件下高温热解生物残渣而产生的富碳材料[1]。其多孔结构为微生物提供了保护性的栖息地，有利于快速定殖[2]。生物炭含有矿物质，为微生物群落提供必需的营养物质，并含有易于降解的碳组分作为碳源。此外，生物炭能够保持水分并调节农业土壤中的养分可用性，从而支持微生物活动[3],[4]。生物炭具有多种特性，使其成为微生物的理想介质，可作为载体、支撑物或庇护所，改善环境应用中的微生物表现和活性[5]。最近，一些促进植物生长的菌株已被分离并用于土壤改良[6]，这是一种高效且环保的自然方法。添加了功能性菌株的生物炭被认为有助于减少对化学肥料的依赖[1]。需要进一步的研究来阐明接种剂与生物炭之间的相互作用，这对于优化生物炭的应用至关重要。
固氮菌可以通过自身的代谢活动独立于宿主植物进行生物固氮（BNF），产生植物易于吸收的氮形式[7]。由于固氮菌广泛存在于各种生态系统中，非共生固氮是土壤获取氮的主要途径之一[8]。换句话说，即使在缺乏外部氮源的环境中（例如生物炭表面），固氮菌也能良好生长[9]。然而，由于高氮浓度常常抑制固氮作用，非共生固氮的重要性常常被忽视[10]。高碳低氮含量的生物炭可能支持固氮菌的生长和定殖，而不抑制非共生固氮[1]，这表明通过在缺氮土壤中接种固氮菌有可能提高固氮效率。
微生物代谢活动对于维持生物体的正常功能至关重要。一些代谢中间产物，如谷氨酰胺和有机酸[11]，作为信号分子调节氮酶活性和细胞能量，突显了代谢网络在控制氮吸收中的重要性[12]。营养供应比例、温度以及碳（C）和氮的可用性被认为在塑造固氮菌群落结构和调节代谢方面起着关键作用[15]。然而，生物炭微环境对固氮菌代谢过程的影响尚不清楚，其对非共生固氮的影响也尚未明确。
Hagemann等人[3]报告称，生物炭的表面特性显著改变了微生物的生活条件，从而影响了微生物群落的代谢多样性。接种在生物炭上的促植物生长细菌（PGPB）表现出更长的活性和更高的利用效率[16]。例如，接种了耐重金属Pseudomonas sp. NT-2的玉米生物炭在培养结束时显著降低了Cd和Cu的生物可利用性[17]。微生物的代谢分泌物会改变生物炭的表面性质，如孔结构、元素组成和功能基团。此外，生物炭的表面性质因原料不同而有所差异。然而，关于接种剂如何改变不同原料制成的生物炭性质的研究很少。
在这项研究中，我们旨在评估生物炭作为增强非共生固氮效率载体的潜力，并深入了解生物炭如何影响细菌代谢，从而调节非共生固氮。我们比较了接种了固氮菌的生物炭材料，并通过生物炭表征和微生物代谢组学方法评估了它们对非共生固氮效率的影响。我们假设：（1）接种固氮菌后生物炭的特性会发生显著变化；（2）不同原料制成的生物炭显著影响接种固氮菌的代谢物组成及其固氮功能。
部分内容摘要
生物炭和固氮菌的制备
生物炭的主要原料是牛粪（Cm）、玉米秸秆（Ms）和木屑（Wc）。这些空气干燥的原料被粉碎至约1厘米大小，然后在80°C下过夜烘干。随后，在厌氧N2气氛中，使用马弗炉（YAMATO, FO810C, 日本）以500°C的温度进行2小时的热解处理。生物炭用蒸馏水清洗三次以去除游离细胞和杂质，然后在烤箱中干燥。
接种了固氮菌的生物炭的定殖情况
牛粪生物炭（Cm）呈现出不规则的碎片状形态，表面孔隙较少（图1a）。玉米秸秆生物炭（Ms）具有典型的蜂窝状多孔网络结构，孔隙分布均匀且丰富。木屑生物炭（Wc）的孔隙系统连接紧密但分布不均，孔壁上存在明显的热解损伤。生物炭的类型影响了接种细菌的分布和代谢活性（图1b）。接种了固氮菌的生物炭的定殖动态
与牛粪生物炭（CmK相比，玉米秸秆生物炭（MsK）和木屑生物炭（WcK结论
本研究发现，与牛粪和木屑生物炭相比，生物炭与菌株接种剂相互作用，支持了细菌的旺盛生长、高效的氮固定以及显著的表面氧化。由于秸秆生物炭具有较高的元素含量和较低的碳稳定性，因此固氮菌的接种对其生物改性的影响更为显著，从而增加了氮和表面功能基团的含量。我们的数据表明，不同的原料特性
未引用的参考文献
[46], [47], [48], [49], [50], [51], [52], [53]
CRediT作者贡献声明
Xinyue Li:撰写——初稿、方法学、数据分析、概念化。Yi Wang:资源获取、方法学、研究、资金申请、数据分析。Mohammad Bahram:撰写——审稿与编辑、验证、方法学、概念化。Yiming Xian:可视化、方法学、研究、数据分析。Rong Huang:撰写——审稿与编辑、项目管理。Bing Li:撰写——审稿与编辑、监督、项目管理、资金申请
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（42107247）、国家重点研发计划（2023YFD1901202）以及国家创新创业人才培养计划（202410626006）的财政支持。
